Giám sát bụi trên tấm pin quang điện dựa trên cảm biến từ xa siêu phổ

Nhà máy điện mặt trời Benban nằm ở vùng Benban thuộc tỉnh Aswan, Ai Cập, một khu vực sa mạc cách Cairo khoảng 650 km về phía nam và cách Aswan 40 km về phía tây bắc. Với tổng công suất 1650 megawatt, đây là nhà máy điện mặt trời quy mô lớn đầu tiên của Ai Cập và hiện là nhà máy điện mặt trời lớn thứ tư trên thế giới. Việc xây dựng bắt đầu vào tháng 2 năm 2018 và hoàn thành vào tháng 11 năm 2019. Nhà máy có diện tích 37,2 km² và tiêu tốn 4 tỷ đô la Mỹ.

Giới thiệu dự án

Nằm trong vùng sa mạc, dự án phát điện này thường xuyên bị ảnh hưởng bởi bão cát. Bụi dễ dàng tích tụ trên bề mặt các tấm pin quang điện. Lớp bụi này không chỉ cản trở ánh sáng mặt trời, làm giảm độ truyền dẫn của kính và giảm lượng bức xạ mặt trời chiếu đến các tế bào, mà còn làm thay đổi quá trình truyền nhiệt. Bụi hấp thụ bức xạ mặt trời và chuyển hóa nó thành nhiệt năng, đồng thời cản trở sự tản nhiệt từ lớp kính bảo vệ của tấm pin quang điện. Tóm lại, bụi là một trong những vấn đề chính ảnh hưởng đến hiệu suất của các nhà máy điện mặt trời. Điều này chủ yếu được thể hiện ở các khía cạnh sau:

1. Tác động của bụi lên bức xạ mặt trời

△Hình 1. Mức độ bụi tăng cao gây ra hiện tượng phản xạ khuếch tán từ các tấm pin quang điện.

Bụi bám trên bề mặt kính không chỉ ảnh hưởng đáng kể đến khả năng truyền bức xạ mặt trời mà còn gây ra hiện tượng phản xạ khuếch tán đáng kể bức xạ mặt trời chiếu đến các mô-đun quang điện, làm tăng độ phản xạ của các mô-đun. Các phép đo thực nghiệm cho thấy bụi tích tụ trên bề mặt kính có thể dẫn đến mất 5%-30% bức xạ mặt trời.

2. Ảnh hưởng của quá trình vôi hóa và lắng đọng bụi đến sự truyền ánh sáng

Bụi chứa một lượng lớn oxit canxi và magie. Khi bụi trên bề mặt các tấm pin quang điện tiếp xúc với nước mưa, một lượng nhỏ ion canxi và magie sẽ hòa tan vào nước mưa và bám trở lại bề mặt kính của các tấm pin quang điện, tạo thành một lớp cặn canxi và magie dày và cứng. Một khi cặn hình thành, rất khó để loại bỏ và sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất phát điện của các tấm pin quang điện. Trong trường hợp nghiêm trọng, nó thậm chí có thể gây ra các vấn đề như điểm nóng trên một số tế bào quang điện.

• Ảnh hưởng của bụi đến nhiệt độ của các mô-đun quang điện

Bụi bám trên bề mặt kính cường lực có thể hấp thụ một phần bức xạ mặt trời và chuyển hóa thành năng lượng nhiệt, do đó làm tăng nhiệt độ hoạt động của các mô-đun quang điện, ảnh hưởng đến khả năng tản nhiệt và khuếch đại thêm hiệu ứng nhiệt-nhiệt của các mô-đun quang điện, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất phát điện quang điện.

Do đó, trong quá trình vận hành và bảo trì hệ thống quang điện, cần đặc biệt chú ý đến tác động của bụi trên bề mặt tấm pin quang điện đến hiệu suất phát điện. Việc vệ sinh kịp thời là cần thiết để giữ cho bề mặt các tấm pin quang điện sạch sẽ và đảm bảo hoạt động hiệu quả của nhà máy điện.

Để giải quyết vấn đề giám sát bụi trên các mô-đun quang điện, chúng tôi đã sử dụng vệ tinh siêu phổ XIGUANG-003 để chụp ảnh khu vực mục tiêu vào ngày 1 tháng 1 năm 2024. Hình ảnh thu được có độ phân giải mặt đất là 10 mét và bước sóng của 150 dải phổ. Chúng tôi đã xác định và trích xuất các khu vực tấm quang điện và đánh giá độ phủ bụi dựa trên độ phản xạ.

△Hình 2. Sơ đồ cấu tạo của một trạm điện mặt trời trong sa mạc.

△Hình 3: Vệ sinh định kỳ các tấm pin quang điện

△Hình 4 Vị trí của Trạm điện mặt trời Benban

△Hình 5. Hình ảnh màu sắc chân thực siêu phổ của khu vực nghiên cứu sau khi hợp nhất

Chúng tôi kết hợp dữ liệu toàn sắc độ phân giải cao với dữ liệu siêu phổ để thu được dữ liệu siêu phổ độ phân giải cao, sau đó thực hiện hiệu chuẩn bức xạ và hiệu chỉnh khí quyển để thu được dữ liệu phản xạ bề mặt, từ đó phân tích độ phản xạ của từng dải tần trong khu vực tấm pin quang điện.

△Hình 6. Các biển chỉ dẫn địa điểm gần trạm điện mặt trời Benban.

△Hình 7. Độ phản xạ của các đặc điểm địa hình gần trạm điện mặt trời Benban (giá trị độ phản xạ được phóng đại 1000 lần)

Như thể hiện trong Hình 6 và 7, các mẫu tấm pin quang điện, đất nông nghiệp được tưới tiêu tập trung và các bề mặt đất khác đã được đánh dấu. Có thể thấy rằng đường cong phản xạ của ba loại đặc điểm địa hình này cho thấy sự khác biệt đáng kể. Độ phản xạ của bề mặt sa mạc cao trên tất cả các bước sóng, trong khi độ phản xạ của đất nông nghiệp cao hơn so với tấm pin quang điện trong phạm vi 450-560nm, và sau đó giảm dần. Do đó, dựa trên những khác biệt về độ phản xạ này, các phương pháp học máy có thể được sử dụng để phân loại các đặc điểm địa hình.

△Hình 8. Sơ đồ hoa gió của khu vực nghiên cứu năm 2023

Chúng tôi cũng thu thập dữ liệu hướng gió hàng ngày cho khu vực nghiên cứu vào năm 2023 và tính toán tần suất hướng gió để tạo ra biểu đồ hoa gió nhằm xác minh sự phân bố không gian của bụi tích tụ, như thể hiện trong Hình 8. Hướng gió thịnh hành trong khu vực nghiên cứu là tây bắc và bắc-tây bắc. Chúng tôi đã đánh dấu các hướng gió thịnh hành trên bản đồ độ phủ bụi trong Hình 10.

*Nguồn dữ liệu: Dự báo nguồn năng lượng toàn cầu

△Hình 9 Sự khác biệt về độ phản xạ của các tấm quang điện với các mức độ tích tụ bụi khác nhau

Hình 10. Bản đồ độ che phủ bụi của khu vực nghiên cứu vào ngày 1 tháng 1 năm 2024.

Dựa trên sự khác biệt về độ phản xạ của các tấm pin quang điện, chúng tôi đã tạo ra một bản đồ độ phủ bụi. Sau đó, chúng tôi đã chọn hai khu vực, tây bắc và đông nam, để kiểm chứng sự khác biệt về độ phản xạ này, như thể hiện trong Hình 9. Các tấm pin quang điện có độ phủ bụi cao hơn cho thấy độ phản xạ tăng lên đáng kể. Hơn nữa, sự phân bố không gian của độ phủ bụi theo xu hướng giảm dần từ tây bắc xuống đông nam, phần lớn trùng khớp với hướng gió thịnh hành. Mặc dù điều kiện thực tế có thể bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi góc của các tấm pin quang điện hoặc các mô hình phân vùng khác nhau, bản đồ này cung cấp một cái nhìn tổng quan tương đối trực quan về sự tích tụ bụi.

Sau khi thu thập dữ liệu đa cảnh, có thể phân tích sâu hơn các mô hình tích tụ bụi thông qua thông tin chuỗi thời gian, dự đoán độ phủ bụi bằng cách kết hợp dữ liệu khí tượng, ước tính chính xác thời gian làm sạch tiếp theo và tính toán chu kỳ làm sạch phù hợp bằng cách kết hợp số liệu thống kê sản lượng điện, từ đó lập kế hoạch công việc làm sạch hợp lý trước, nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí làm sạch. Đồng thời, có thể kết hợp các thí nghiệm trên mặt đất để phân tích mối quan hệ giữa độ phản xạ và định lượng thực tế độ phủ bụi, từ đó nâng cao hơn nữa độ chính xác của việc giám sát độ phủ bụi.